Geração do Cavaco

Geração do Cavaco

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DEMEC/UFRGS ENG03343 – PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR USINAGEM

PARTE 3 – PROCESSO DE GERAÇÃO DE CAVACO

Professor Heraldo Amorim Porto Alegre, maio de 2003

ENG 03343 – Processos de Fabricação por Usinagem – DEMEC – UFRGS

1. Geração de Cavaco

O cavaco é o principal ponto em comum entre os processos de usinagem, pois é o

subproduto final presente em todos eles. O cavaco pode variar muito (em tipo, forma, extensão) para cada operação de usinagem, ou mesmo em uma única operação, como por exemplo o torneamento, sendo o resultado final (forma, espessura) deste função de praticamente todas as variáveis envolvidas no processo.

O meio mais simples de visualizar os mecanismos de geração de cavaco é através do corte ortogonal. O exemplo mais facilmente assimilado de corte ortogonal é o de um cilindro, com um anel usinado ao seu redor (Figura 1), que é torneado em direção ao centro da peça com uma ferramenta de corte. Para um expectador posicionado em frente ao plano que contém a seção transversal do cilindro, este corte se realiza num plano. As demais simplificações assumidas são:

ü Cavaco contínuo, sem APC (aresta postiça de corte); ü Superfície de folga da ferramenta e a peça sem contato; ü Avanço menor que a espessura de corte; ü Largura de corte menor que a aresta de corte; ü Largura de corte (b) igual à largura do cavaco.

Considere-se agora o volume representado pelas letras klmn na Figura 2. Este volume é deformado elasticamente, conforme vai ocorrendo sua aproximação da aresta de corte. Próximo à aresta o material escoa, deformando-se plasticamente até que as tensões tornam ao material impossível manter o regime, causando a ruptura. Estas deformações continuam ocorrendo até que, ainda dentro da zona de cisalhamento primária, os altos valores de tensão causam a ruptura do material. A fim de facilitar o estudo, costuma-se representar a zona de cisalhamento como o plano OD, chamado então de plano de cisalhamento.

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A ruptura do material inicia-se pela abertura de uma trinca em “O”, que se propaga segundo o plano OD, e cuja extensão depende do material da peça. A extensão desta trinca é um dos fatores determinantes do tipo de cavaco a resultar do corte. Uma trinca longa tende a gerar um cavaco curto (chamado cavaco descontínuo), enquanto uma trinca curta tende a gerar um cavaco contínuo.

Figura 2 – Formação do cavaco (fonte: Machado e Silva).

Independente da extensão da trinca, o único “caminho” possível ao volume klmn é a passagem pela zona de cisalhamento, na qual é “transformado” no volume pqrs que, a seguir, passa pela superfície de saída da ferramenta tornando-se um componente do cavaco. Apesar de muitas vezes tratado na literatura (Stemmer, 1995) como um sistema de atrito simples de Coulomb, sem acarretar conseqüências importantes ao processo, o estudo da passagem do cavaco pela superfície de saída da ferramenta tornou-se atualmente um importante objeto de estudo na área de usinagem. Isto porque, ao passar pelo plano definido pelos pontos OB o volume estudado sofre, além de deformações plásticas cisalhantes de elevada ordem, a ação de temperaturas elevadas, causando vários mecanismos de desgaste de ferramenta.

1.1 Ângulo de Cisalhamento e Grau de Recalque

Durante o ciclo de formação do cavaco, o material recalcado passa pela região conhecida como zona de cisalhamento, onde ocorre a deformação plástica do material, antes da ruptura deste. Para fins de simplificação, a zona de cisalhamento é representada como um plano,

ENG 03343 – Processos de Fabricação por Usinagem – DEMEC – UFRGS chamado plano de cisalhamento. O ângulo deste plano com o plano de corte é chamado ângulo de cisalhamento (f).

Devido às deformações sofridas pelo material durante a usinagem, a espessura do cavaco gerado (h’) é maior do que a espessura do material a ser removido (h), o que geralmente pode ser observado experimentalmente. Dessa maneira, o cavaco gerado é mais curto do que o percurso percorrido pela ferramenta durante a usinagem, com a velocidade do cavaco (Vcav) sendo menor do que a velocidade de corte empregada (Vc). Através das espessuras inicial e final do material, pode-se obter o grau de recalque (equação 2).

cavVelVch

Através do grau de recalque, pode-se obter o ângulo de cisalhamento (equação 2):

nnRcTg g gf sencos-

=(2.)

Onde gn é o ângulo der saída medido no plano normal da ferramenta (no caso do corte ortogonal, gn = go, pois ls = 0). Dessa maneira, o valor tanto do grau de recalque quanto do ângulo de cisalhamento do material é uma informação valiosa a respeito da deformação sofrida pelo material na zona de cisalhamento. Materiais dúcteis, devido ao fato de sofrerem grandes deformações, costumam gerar valores baixos de f. Isto faz com que o cavaco gerado seja mais espesso, e deslize com maior força de atrito sobre a ferramenta.

Também as condições observadas na interface cavaco-ferramenta influem no ângulo de cisalhamento. Quando a superfície de saída da ferramenta oferece maior resistência à passagem do cavaco, f tende a diminuir, aumentando o comprimento do plano de cisalhamento primário.

Algumas tentativas foram feitas para determinar f de forma teórica. Algumas delas, citadas por Machado (2000), são as teorias de Ernest e Merchant (equação 3) e de Lee e Shaffer (equação 4).

)(cot.2kgarcne=-+gbf(3.)
gbf=++ne(4.)

Onde k é uma constante referente ao material usinado e gne o ângulo de saída normal efetivo.

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Um aspecto importante a se considerar na formação de cavaco diz respeito ao calor gerado pelo mesmo. Este calor é gerado pela combinação de altas taxas de deformação com um forte atrito entre peça-ferramenta-cavaco. A figura 3 mostra as isotermas observadas na interface cavaco-ferramenta durante a usinagem de aço com ferramenta de metal duro P20 a uma velocidade de corte de 60 m/min.

Figura 3. Distribuição da temperatura na ferramenta, no cavaco e na peça durante a usinagem.

O excesso de calor pode causar a redução da dureza do material da ferramenta (em especial em ferramentas de aço), e do material usinado. Na ferramenta, pode ainda facilitar a difusão de átomos do cavaco para a ferramenta, gerando uma superfície com baixa resistência ao cisalhamento e, portanto, mais suscetível ao desgaste. A combinação entre as altas temperaturas e pressões que ocorrem na aresta de corte da ferramenta pode causar inclusive a soldagem de material da peça na aresta cortante, gerando o fenômeno conhecido como aresta postiça de corte (built up edge), que geralmente é danoso ao processo. A APC ocorre geralmente em baixas velocidades, sendo, por isso, mais comum na usinagem com ferramenta de aço rápido. Problemas decorrentes da ocorrência da APC são a queda do acabamento superficial e o fato de que, quando arrancado da ferramenta (Figura ), pode levar consigo pequenas quantidades de material da aresta de corte (mecanismo de desgaste conhecido como desgaste por adesão). Como efeito positivo, a ocorrência da APC causa a redução da força de corte, devido ao aumento do ângulo de saída efetivo.

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Figura 4. Aresta postiça de corte e danos provocados por seu arrancamento.

1.3 Tipos de Cavaco

Apesar de ser um subproduto da usinagem, o cavaco gerado pode ser ao mesmo tempo evidência e causa de problemas no processo de usinagem. Ou seja, ao mesmo tempo em que determinado tipo de cavaco pode causar algum problema, como danos à superfície da peça ou estar ocupando volume excessivo, a sua forma e tamanho podem ser indicativos de problemas, relativos tanto à qualidade do material usinado quanto às condições da ferramenta de corte utilizada.

Os tipos de cavaco são basicamente três, a saber; 1. Cavaco contínuo – caracteriza-se pelo grande comprimento, independente da forma. Ocorre principalmente na usinagem de metais dúcteis (como aços baixa liga), sob pequenos e médios avanços, com altas velocidades de corte e grandes ângulos de saída da ferramenta. É formado quando o material é recalcado ao chegar na aresta de corte, sem que, no entanto, ocorra o rompimento deste, deslizando, então, pela superfície de saída da ferramenta.

2. Cavaco de cisalhamento ou parcialmente contínuo – ocorre principalmente quando a trinca, ao propagar-se pelo plano de cisalhamento, provoca a ruptura total do cavaco, que, em seguida, é soldado devido à pressão e temperatura. O resultado final costuma ser um cavaco nem ininterrupto e uniforme nem fragmentado como o cavaco descontínuo, constituindo um meio termo entre os dois.

3. Cavaco arrancado ou descontínuo – muito comum na usinagem de metais frágeis, como ferro fundido cinzento. Este tipo de cavaco ocorre também na usinagem de alguns materiais menos frágeis a baixas velocidades de corte, grandes avanços e com ângulo de saída pequeno.

Além destes tipos, alguns autores [Shaw, 1984; Machado e Silva, 2000] mencionam o cavaco segmentado, que ocorre mais freqüentemente na usinagem de materiais com baixa condutividade térmica, como o titânio e suas ligas, num processo referido como “cisalhamento

ENG 03343 – Processos de Fabricação por Usinagem – DEMEC – UFRGS termoplástico catastrófico”. Segundo esses autores, este tipo de cavaco pode ocorrer inclusive na usinagem de materiais com boa condutividade térmica, a partir de uma velocidade de corte, chamada pelos autores de “velocidade de corte crítica”, característica do material. O controle do tipo de cavaco produzido é de extrema importância. O cavaco contínuo, além de oferecer perigo ao operador, pode emaranhar-se ao redor da peça ou ferramenta, dificultando a operação e tornando a superfície usinada menos atrativa. Além disso, ainda há o alto coeficiente volumétrico do cavaco contínuo em relação aos outros tipos.

O coeficiente volumétrico (equação 5) é um índice definido como a razão entre o volume ocupado pelo cavaco (Vcav) e o volume ocupado pela mesma quantidade, em massa, do mesmo material (Vp).

pcavV

=w(5.)

Não é rara a ocorrência de cavacos contínuos com w=200, o que dificulta tanto a estocagem do cavaco quanto a remoção do mesmo. Apesar disso, alguns autores, como Stemmer, 1995, defendem que, do ponto de vista do acabamento superficial, da durabilidade da ferramenta e da energia consumida, o cavaco contínuo é o mais benéfico.

Também o cavaco parcialmente contínuo pode apresentar problemas, como geração de vibrações, que podem acarretar danos como ondulações na superfície usinada, desgaste excessivo da ferramenta, e até mesmo efeitos nocivos como desbalanceamento rotativo nos principais mancais do torno.

A ocorrência de cavaco contínuo pode ser evitada, ou ao menos minimizada adotando-se alterações nos parâmetros de corte, dentre as quais estão: ü Diminuição do ângulo de saída e de inclinação da ferramenta, ou ainda o uso destes como valores negativos; ü Aumento do avanço e da profundidade de corte; ü Diminuição da velocidade de corte; ü Uso de quebra-cavaco.

Destas opções, a mais comumente adotada em processos cujos parâmetros de corte propiciem a formação de cavaco contínuo, é o uso de quebra-cavacos na superfície de saída da ferramenta, pois, além de proporcionar uma solução simples e rápida para o problema, o uso de quebra-cavaco dispensa alterações nos parâmetros de corte.

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1.4 Formas de Cavaco

Além da extensão do cavaco, também é possível diferenciá-lo quanto à sua forma. A importância desta diferenciação se deve ao fato de algumas formas de cavaco dificultarem a operação de usinagem, prejudicarem o acabamento superficial da peça e desgastarem mais ou menos a ferramenta. A classificação usual dada às formas de cavacos é a seguinte:

· Cavaco em fita;

• Cavaco helicoidal;

• Cavaco espiral; • Cavaco em lascas ou pedaços.

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